關於殲-11D

2021-02-20 俄羅斯小報

網上流傳出殲-11D的圖片,這是殲-11的最新型號。

在缺乏官方信息的情況下,只有從外觀上看,殲-11D採用了大量複合材料(綠色部分)和主動電掃雷達(斜切的雷達罩),還可能換裝了「太行」發動機,但基本氣動形狀沒有改動。現有平臺改進是一個很講究的平衡,改動小了不過癮,改動大了不如全新設計,沈飛把改進集中在結構和航電是有道理的。

蘇-27的基本航電是80年代的蘇聯水平,早就過時了。殲-11D座艙內部沒有圖片,只能猜,估計「玻璃化」程度很高,大量採用LCD,說不定基本飛行儀表已經降低到最低限度甚至取消。中杆操縱估計不會改,但既然已經改數字飛控了,要改側杆操縱也很容易。數據鏈是必不可少的,機載自衛電子戰系統應該也是必不可少的,可以與改進的IRST配合使用,被動探測空中和地面威脅。最大亮點在主動電掃雷達,這大大提高了雷達的探測、跟蹤和火控性能。常規機掃雷達在跟蹤和搜索之間只能兩取一,邊搜索邊跟蹤是用軟體填補缺失信息,並根據目標運動規律預估掃描間隙中的運動方向和速度。在可以可靠地再次捕獲目標時,這沒有問題,等到下一次掃描時更新目標信息就可以了。但隱身目標的特點就是低截獲概率,再次捕獲並不可靠,很容易丟失目標。專注跟蹤可以解決問題,這就像用目力搜索跟蹤一樣,看到忽隱忽現的目標,盯住看比不時掃一眼要容易保持可靠跟蹤,但這就要放棄對空中戰場的一般掌控,容易錯失其他目標、陷入被動。主動電掃可以分出若干波束,掃描和跟蹤兩不誤。另外,主動電掃雷達還可以通過波束的快速移動,不規則掃描戰場空間,並快速根據目標性質、距離增減功率,可以把自身信號偽裝成戰場上常見的無害電磁噪聲,增加對手預警和定位難度。主動電掃雷達還可以用作電磁壓制甚至高速數據鏈傳輸。這是新型戰鬥機居家旅行、殺人越貨的必備利器。

蘇-27的基本設計是有缺陷的。為了減重,蘇-27有意弱化了機體結構,但這縮短機體疲勞壽命,在不太長的高g使用後就容易出現結構勞損,中國在90年代初購買的第一批蘇-27在幾年前就因為這而退役了。機體強度不足也使得增加起飛重量很困難,即使發動機推力增加,起飛重量也受到結構強度的限制。這也使得延壽和中期改裝很困難,缺乏足夠的機體壽命的話,大幅度改裝是浪費時間。連結構一起加強是可以的,但還是有一個度,到了要把所有主要結構件都換一遍的時候,這就是重造一架飛機了,還延什麼壽、改什麼裝呢?蘇-30在外觀上與雙座蘇-27沒有什麼不同,但在結構上大大增強,不僅提高使用壽命,也增加了掛彈能力,就是為了解決這個問題。沈飛在殲-11D上大量採用複合材料,肯定要對結構進行全面的重新設計,希望沈飛利用這個機會,一舉解決蘇-27原始設計中強度不足的問題。

據說從殲-11B開始,沈飛就改用數字飛控了,但只是把蘇-27的模擬飛控數位化,並沒有大幅度增加新功能。這是謹慎的做法,但沈飛不應該停留於此。模擬控制律的數位化不難做到。模擬計算機用運算放大器的組合實現各種計算功能,可以算作純硬體實現的計算機。這是早期數字計算機速度和可靠性不足時的一種過渡措施,技術門檻較低。F-16A的電傳飛控也是模擬的。但模擬計算機的硬體實現特性使得功能的增加和升級很困難,這也是數字計算機迅速取代模擬計算機的重要原因之一。現在電影Imitation Game看的人很多了,但電影裡一句話很誤導:圖靈奠定了現代計算機的基礎。這句話又對又不對。圖靈機不是電影裡的這個機器,圖靈機是一個概念,是虛擬的,不是具體的機器或者設計。圖靈機的核心在於決策過程,根據當前的狀態和結果決定下一步的決策試驗,摸著石頭過河。這是人工智慧的基礎,也在一定程度上是計算機軟體編程的基礎,但計算機的真正基礎是諾依曼的二進位。二進位不是諾依曼發明的,但諾依曼把二進位用於計算機,奠定了數字計算機。二進位把連續域的數值計算和離散域的判斷有機結合起來,任何連續數值都可以用一個二進位數值完全描述,另一方面,二進位的0和1又是天然的描述「是/否」、「好/壞」、「對/錯」這樣的邏輯變量的載體。由於這個特點,數字計算機不僅可以做1+1=2,還可以進行IF……THEN……這樣的判斷決策。這就是數字計算機最大的生命力所在。模擬飛控的數位化只是利用了1+1=2這一部分能力,只用到數字飛控能力的九牛一毛。

數字飛控可以做的事情非常多,對飛行員操縱動作過濾是很起碼的。飛行員動作過猛,容易造成失控。這就是數字飛控IF……THEN……發揮作用的時候了。飛機氣動數學模型可以根據當前速度、高度、過載、橫滾角、迎角、推力、重量等參數計算當前的飛控動作極限值,對於超過極限的飛行員動作,數字飛控可以自動限制在安全的極限值,但這種方式現在越來越少用。氣動模型常常只能計算靜態預估值,動態不是不能計算,但動態軌跡取決於過去、當前、將來的連續操縱輸入,計算機不可能知道飛行員的心思,只知道過去和當前的操縱輸入,但無法預測將來的操縱輸入,所以動態預測能力有限。但飛行員是知道自己心思的。有時候情況緊急,暫時做出過度動作,避開眼前的危險,過後是有時間恢復的。空客A320多次撞山,就是因為數字飛控不讓飛行員暫時否決操縱極限的結果。波音用頓挫的方法,在超過極限時,飛行員要用力拉杆,但還是能否決數字飛控的操縱極限的,同時額外的用力也提醒飛行員已經超過極限,必須馬上採取措施恢復。現在數字飛控很多採用這樣的軟極限,用某種方式提醒飛行員注意,比如增加杆的阻尼或者引入需要強行拉過的頓挫。這超過了直接的模擬飛控數位化,但還是容易做到的。

數字飛控的好處還在於可以用巧妙的氣動控制組合實現傳統飛控難以實現的動作,甚至減免傳統氣動控制面。在80年代,隨動布局曾經是很流行的概念,用額外的控制面(比如常規鴨翼和機頭下相當於小型垂尾的鴨翼)可以實現直接力控制,在不改變飛機指向的的情況下,直接橫移或者上下移動。這對提高航炮命中率和投彈精確性具有很大作用。但額外控制面增加阻力和重量,空戰飛彈化和對地攻擊精確制飛彈藥化使得直接力控制的價值大大下降。最重要的是,數字飛控可以通過傳統控制面的非常規組合實現直接力控制。比如說,襟翼和平尾合作,可以實現直接升降;一側副翼(需要另一側襟翼補償)與垂尾合作,可以實現直接橫移。直接力控制的另一種做法是在不改變飛行軌跡的同時,改變機頭指向,比如在前飛中點一下頭然後恢復,或者偏一下頭然後恢復。用數字飛控實現直接力的幅度不如隨動布局,但夠用了。把思路拓寬一點,襟翼、副翼和平尾合作,甚至加上垂尾(雙垂尾的方向舵同時向內側或者外側翻轉),還可以取代減速板。蘇-35就是這樣的。取消減速板的意義重大,節約了很多重量和體積,減少了開口、動作部件和維修工作量,還增加了機體結構強度、增加了機內燃油量。

數字飛控的另一個強項是與發動機、火力控制交聯。發動機控制是與飛行控制既獨立又相關的東西。發動機要加速,不是「一踩油門」就完事了,轉速既要迅速上升,又要穩定上升,避免出現大幅度的超速。動態過程的躍升躍降是一個振蕩過程,控制輸入直線上升的話,被控制變量並不是緊貼控制輸入直線上升,通常在起始時拖拖沓沓,有一個滯後;但在接近終點的時候,慣性發揮作用,經常要越過終點,然後再跌落回來,有時還要來回振蕩幾次才能最終穩定下來。電梯控制有時就是這樣,調試不好的話,到達指定樓層時不是乾淨利索地停下來,而是上下抖幾次才停下來。電梯上升速度越快,抖動幅度越大。在控制上,這叫超調(overshoot)。降低控制增益(電梯慢慢爬),是可以降低甚至避免超調的,但控制響應太慢。對於發動機來說,最大轉速是固定的,超過了輕則縮短發動機壽命,重則造成機械損壞。為了避免超速,可能被迫降低響應速度,影響飛行性能。通過可變控制增益,是可以做到快速但低超調的響應的,但這用模擬控制律很難做到,這又是模擬控制數位化可能錯失的機會了。全權數字發動機控制(簡稱FADEC)不僅可以實現複雜控制律,也同樣可以限制飛行員操縱輸入,避免過猛動作導致喘振、熄火等現象。FADEC也可以根據飛行速度、高度等大氣參數自動優化可調進氣道、噴管,最大限度發揮發動機性能,或者節油。

但FADEC與數字飛控交聯的話,1+1就大於1了。數字飛控知道FADEC的「心思」,知道動力正在增加,等到自己的動作到位時,推力也將到位,可以放心大膽地去做,而不用擔心到時候發動機掉鏈子;發動機也知道飛控的「心思」,知道正在做什麼樣的飛行動作,需要提前準備,調整進氣道、噴管、燃燒室和加力,而不是不看路的埋頭拉車。這樣的有協調、有預見的控制動作比單純根據當前狀態的分別控制要主動得多,有效得多,也避免了兩者互相「追逐」,最大限度地發揮飛機-發動機的潛力。一旦發動機具有推力轉向,FADEC與數字飛控的交聯更加重要,氣動控制與推力轉向控制在不同的速度、高度和飛行姿態下發揮作用,只有渾然一體的FADEC和數字飛控才能無縫實現。

更高層次在於數字飛控-FADEC與火控的交聯。戰鬥機是用來打仗的,火力控制是用於把彈藥(不管是航炮炮彈還是制導炸彈或者空空飛彈)送到有效殺傷範圍裡的。航炮發射需要飛行員把戰鬥機與敵機三點連一線。實際上,由於自己的飛機和敵機都在運動,炮彈在空中飛行時根據出膛時飛機的速度、轉向、高度(大氣密度)不同也有一個「甩動」的軌跡,機動飛行中用航炮攻擊機動敵機是一個高度複雜的氣動和彈道計算,不僅要把飛機運動到位,還要在準確的時機擊發。一戰德國空戰王牌裡希特霍芬的絕技就是在機動滾轉中擊落同樣機動滾轉的敵機,現代飛火發聯控可以可靠實現裡希特霍芬的絕技,在飛行員激烈滾轉的過程中在最佳時刻擊發,甚至把戰鬥機當作大型飛彈,自動引導進入最佳發射位置,然後擊發。

航炮用於空戰越來越少了,但空空飛彈的發射同樣有機動和發射時機的問題。空空飛彈有截獲區和必殺區,把敵機套入必殺區再發射飛彈,和用航炮攻擊有很大的相似之處。當然,這是指近距格鬥的情況,超視距空戰不需要這樣的機動。但在遭到敵人飛彈攻擊的時候,用激烈機動縮小甚至逃離必殺區,在最佳時刻釋放紅外和雷達幹擾,這又與空戰格鬥異曲同工。投放制導炸彈也是一樣,需要一定的姿態和速度,飛火發聯控可以在一次通過中投放多枚彈藥,增加打擊效率。

這一切都是模擬控制數位化所不能做到的,必須最大限度發揮全數字的威力。除了基本的硬體構架,這當然是軟體的事情了。模擬控制數位化後,通過模塊化,逐步增加功能,這是穩妥的思路。問題是,模塊化的道理誰都懂,但具體做起來不容易。模塊的劃分很有講究,太大了,新功能容易碰到「跨模塊」的問題;太小了,系統管理負擔太重;小到極端,實際上就是非模塊化的「原子化」編程了。模塊組織和界面的定義很考驗功力,這就要看沈飛的了。

這些都是軟改進,但蘇-27的基本氣動是有硬改進餘地的。蘇-27不是靜不穩定設計,而是臨界穩定設計。這部分利用了放寬靜穩定度的好處,又降低了技術風險。壞處則是潛力沒有挖盡。對於缺乏氣動計算能力和經驗的80年代蘇聯航空來說,這樣做是穩妥的。但40年後還一成不變,就有點不思進取了。採用F-18E那樣的哥德式邊條(即使沒有那麼大)可以把氣動中心前移,放寬靜穩定性,大大解放機動性。在激進一點,可以把圓截面的機頭錐增加側稜,不僅提高隱身性能,還可與邊條形成有利交互作用,但這個改動比較大了。直立的雙垂尾像波音「沉默鷹」那樣適當外傾,可以顯著降低側向RCS。增大方向舵的相對面積,把雙垂尾接近全動垂尾(像殲-20)那樣處理,可以縮小垂尾面積、降低重量和RCS。進氣道採用F-18E那樣的雷達屏障可以顯著降低前向RCS。這些措施不能使殲-11成為隱身戰鬥機,但依然可以顯著降低可探測性,是有意義的。

殲-11這樣改有意義嗎?這個問題要這麼看。如果殲-11已經在生產周期尾聲,這樣的改進就沒有必要。但殲-11要是還要生產10-20年,新飛機的使用壽命至少30年,那就要考慮現在的設計在40-50年後還有多少生命力的問題了。殲-20還沒有服役,形成批量更是遙遠,估計殲-11還要「當家」一段時間。因此,這樣的改進十分必要。從已知的粗略信息看,沈飛的數字飛控還處於較初級的階段,也沒有像蘇-35那樣取消減速板,基本上局限與「全軟」改進。沈飛不能消極守成、不思進取。

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